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激光清洗技術(shù)規(guī);瘧(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀
材料來源:紅外與激光工程          

導(dǎo)讀

伴隨著我國綠色制造的深入推進(jìn),工業(yè)清洗得到了蓬勃的發(fā)展,其對整個制造業(yè)品質(zhì)的提升非常關(guān)鍵。在此大背景下,傳統(tǒng)的表面清洗方法如機(jī)械摩擦、化學(xué)腐蝕、高頻超聲波等,雖然滿足了性能要求,但對基體產(chǎn)生了損傷,也對環(huán)境造成了污染,已無法滿足綠色制造發(fā)展的需求。激光清洗作為一種理想的綠色清洗技術(shù),不僅具有廣泛的適用性,還便于集成智能化設(shè)備,必將給清洗工業(yè)帶來變革。本文梳理了三種典型的激光清洗方法,總結(jié)了激光清洗相關(guān)的機(jī)理。同時,闡述了面向航天航空、船舶建造、軌道交通等領(lǐng)域開展的激光清洗應(yīng)用進(jìn)展。根據(jù)近年來國內(nèi)外院校和企業(yè)在激光清洗系統(tǒng)、設(shè)備方面的科技成果,提出國內(nèi)激光清洗推廣應(yīng)用所面臨的瓶頸,展望了激光清洗技術(shù)在未來的發(fā)展方向。

研究背景

自20世紀(jì)60年代世界上第一臺激光器問世,激光憑借能量大、方向可控等特點開始應(yīng)用于材料表面處理。1969年,物理學(xué)家Bedair首次提出了激光清洗的概念,并成功使用功率密度為30 MW/cm2 的紅寶石調(diào)Q激光清除了硅片表面的污染物,這也是干式激光清洗的最初應(yīng)用;1974年,加利福尼亞大學(xué)的學(xué)者Asmus開展了利用激光修復(fù)雕塑等藝術(shù)品的研究工作,驗證了激光清洗用于文物保護(hù)的可行性;20世紀(jì)80年代,美國國際商業(yè)機(jī)器公司利用激光成功去除了掩模板表面附著的微米級的污染顆粒,化解了傳統(tǒng)清洗無法清除微小顆粒的難題;到了90年代,研究人員開始意識到激光清洗在工業(yè)發(fā)展中的巨大應(yīng)用價值,逐步開展了對激光清洗技術(shù)的研究和設(shè)備的研發(fā)。

目前,歐美一些發(fā)達(dá)國家的激光清洗技術(shù)已在航空、船舶、汽車和模具等領(lǐng)域得到良好的應(yīng)用。我國對激光清洗技術(shù)的研究和設(shè)備開發(fā)起步較晚,由于工藝?yán)碚撗芯坎蛔阋约皣飧叨搜b備封鎖等原因,激光清洗的工業(yè)應(yīng)用仍處于起步階段。

主要內(nèi)容

本文首先介紹了三種典型的激光清洗方法及其機(jī)理,其中干式激光清洗目前的使用最為廣泛,該方法利用高能量激光直接輻照在基體表面,使污染物或基體產(chǎn)生瞬時熱膨脹后克服二者間的結(jié)合力,或是使污染物直接汽化揮發(fā),以達(dá)到清洗的效果。濕式激光清洗通過液膜起輔助作用,用于去除一些較難清除的附著物。等離子沖擊波清洗通過激光束的匯聚,將焦點處的空氣電離,電離產(chǎn)生的沖擊波擴(kuò)張延伸與微粒接觸,使微粒受到?jīng)_擊后滾動去除。

圖1 激光清洗的方法及原理

隨后,概括了國內(nèi)外激光清洗技術(shù)在在航空航天、船舶建造和軌道交通三個領(lǐng)域的研究應(yīng)用進(jìn)展,總結(jié)得出近年來我國對激光清洗技術(shù)的研究在清洗機(jī)理、工藝等方面取得了長足的進(jìn)步,一些自主研發(fā)的裝備已投入工業(yè)生產(chǎn)。但與國外相比,許多領(lǐng)域的研究還停留在實驗室階段,由于大功率短脈沖激光器和高速掃描振鏡等核心部件被國外壟斷,阻礙了高效激光清洗成套裝備的開發(fā),現(xiàn)有裝備在面對一些大面積頑固污染物時,難以滿足清洗質(zhì)量和清洗效率的雙重要求。此外,清洗設(shè)備的穩(wěn)定性和靈活性還有待進(jìn)一步提高,以適應(yīng)更復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。

圖2a  ARLCRS系統(tǒng)對F16戰(zhàn)機(jī)進(jìn)行激光除漆

圖2b  激光清洗爬壁機(jī)器人

最后梳理了近年來研究人員在激光清洗系統(tǒng)優(yōu)化方面所取得的一些關(guān)鍵性技術(shù)突破:

①激光復(fù)合清洗:當(dāng)前的激光清洗系統(tǒng)大多采用單一激光束進(jìn)行加工 (連續(xù)或脈沖),而在面對一些較厚的污染層時,單一激光清洗往往會暴露出各自的缺陷。通過復(fù)合利用連續(xù)激光高效率和脈沖激光高精度的特點,可以在提高激光清洗效率的同時保證表面質(zhì)量。

②掃描路徑優(yōu)化:二維激光清洗主要以打標(biāo)式的填充模式進(jìn)行逐行掃描,易造成邊緣區(qū)域過度燒蝕,最終留下焦深印痕。通過采用螺旋掃描路徑,同時引入隨機(jī)偏擺因子,可減少出現(xiàn)未燒蝕與重復(fù)燒蝕現(xiàn)象,實現(xiàn)整體均勻清洗。

③曲面激光清洗:現(xiàn)階段的激光清洗設(shè)備仍以手持式為主,或采用移動平臺實現(xiàn)二維平面清洗,在面對曲面等復(fù)雜表面時,難以保證清洗時激光同步聚焦。學(xué)者們提出了基于三維掃描的清洗路徑自動規(guī)劃、利用以太網(wǎng)通信和激光測距儀實現(xiàn)了曲面隨形聚焦。

④在線檢測技術(shù):目前,針對激光清洗質(zhì)量的評定方法多為離機(jī)器檢測,需要花費大量時間。由此演化出了基于聲、光、光譜和圖像等信號的在線檢測方法,均能對一定情況下激光清洗進(jìn)程監(jiān)測,但各有其明顯的優(yōu)缺點。

圖3 機(jī)器視覺技術(shù)快速、高效識別銹蝕

結(jié)論

據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的統(tǒng)計報告顯示,預(yù)計到2022年底我國工業(yè)清洗行業(yè)的規(guī)模將突破千億元,而激光清洗目前的市場占比僅為1% 左右,化學(xué)清洗和機(jī)械清洗仍是工業(yè)應(yīng)用最多的兩種清洗方式。雖然激光清洗還無法大范圍取代傳統(tǒng)清洗技術(shù),但是隨著激光技術(shù)的進(jìn)步和環(huán)保法規(guī)要求的提高,激光清洗終將在更多領(lǐng)域大有作為,而且激光制造是我國 “十三五”期間的重點研發(fā)領(lǐng)域,激光清洗技術(shù)作為激光制造技術(shù)大領(lǐng)域中的一個分支,在工業(yè)生產(chǎn)中的作用會越來越大,積極發(fā)展激光清洗技術(shù)對提高我國高端激光制造水平、國際競爭力的大幅提升、經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

團(tuán)隊介紹

江蘇大學(xué)表界面科學(xué)與技術(shù)研究所及緊密圍繞表界面科學(xué)與工程領(lǐng)域的高性能、自動化、綠色化和節(jié)能降耗發(fā)展主題, 跟蹤當(dāng)今國際上激光技術(shù)發(fā)展的趨勢,在激光沖擊強(qiáng)化成形、界面強(qiáng)度激光檢測、光電子功能材料與器件先進(jìn)制備和激光表面工程及快速制造等方面的研究具有鮮明特色,并取得了一批高水平的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果。通過“內(nèi)求精干,外聯(lián)合作,服務(wù)社會”,逐步形成較好的研究特色和行業(yè)影響。

原文來源
 
江宇宏, 何玉洋, 符永宏, 紀(jì)敬虎, 佟艷群. 激光清洗技術(shù)規(guī);瘧(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀(特邀)[J]. 紅外與激光工程, 2023, 52(2): 20220753. doi: 10.3788/IRLA20220753
 
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